鶴崗盆地煤層氣與致密砂巖氣共探潛力評價

趙利芳，張 洲，楊 瑾

（1.河南理工大學 資源環(huán)境學院，河南 焦作454000；2.中原經濟區(qū)煤層（頁巖）氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作454000；3.河南省非常規(guī)能源地質與開發(fā)國際聯合實驗室，河南 焦作454000）

鶴崗盆地煤炭和煤層氣資源豐富，煤炭儲量約為9.388×109t，煤層氣預測資源量為7.15×1010m3[1-2]。盆地煤層具有層數多、單煤層薄、累計厚度大及煤體結構破碎的特征。目前僅以煤層為目的層的開發(fā)效果較差[3-5]。根據現有測井剖面資料，鶴崗盆地具有煤層多和煤系致密砂巖層數多的特點，良好的封蓋條件為致密砂巖氣的成藏奠定了基礎。煤系地層中，致密砂巖氣與煤層氣為同源共生關系，學者們對該區(qū)域煤層氣和致密砂巖氣資源量進行了評價[6-8]?；诖耍芯苛塌Q崗盆地煤系儲層沉積環(huán)境、煤巖煤質、儲層厚度、封蓋條件和含氣性特征，結合國內外煤層氣和致密砂巖氣共采的成功案例[9-11]，評價煤層氣與致密砂巖氣共探潛力，為鶴崗盆地“兩氣”綜合勘探開發(fā)提供了地質依據。

1 區(qū)域地質背景

鶴崗盆地位于黑龍江省東北部，構造上處于牡丹江斷裂與大和鎮(zhèn)斷裂間佳木斯地塊西北部。由于西緣南北向展布的青黑山斷裂帶與東南緣依蘭-伊通斷裂帶的截切作用，使得盆地總體呈走向近南北、傾向向東的單斜構造。盆地主要經歷了燕山期、喜馬拉雅早期和喜馬拉雅晚期三期構造活動[12]：燕山期、喜馬拉雅晚期形成了NE、NNE 向逆斷層與NW及NNW 向正斷層，喜馬拉雅早期形成了NW 向逆斷層與NE、NNE 向正斷層，由此構成了盆地內部的復雜構造格局，鶴崗盆地構造分布簡圖如圖1。

圖1 鶴崗盆地構造分布簡圖（據彭金剛[13]，2017 年修改）Fig.1 Schematic map of structural distribution in Hegang Basin（modified by Peng Jingang in 2017）

鶴崗盆地主要含煤層地層為城子河組和穆棱組，以陸相沉積為主[2，14-15]。其中城子河組含可采煤層36 層，累計厚度可達70 m。鶴崗盆地主要可采煤層包括9、11、15、18、21、22、23、30 號煤層，其中18、21 號煤層全區(qū)發(fā)育，最大煤厚可達13.35 m。

由于盆地整體斷裂構造較發(fā)育，導致煤層結構較為復雜，走向上常出現連續(xù)性較差及分岔或尖滅等現象。研究區(qū)煤巖宏觀類型多見半亮煤和半暗煤，結構以細條帶-中條帶狀為主。在鶴崗盆地的興安礦、富力礦、南山礦、振興礦、峻德礦、新嶺礦、新陸礦、益新礦、鳥山礦共計9 個煤礦取得煤樣22 件進行了顯微組分、成熟度、工業(yè)分析等測試。顯微組分中鏡質組含量為82.3%～88.4%，平均為86.9%；惰質組為1.9%～8.1%，平均為4.2%；殼質組為2.0%～6.5%，平均為4.3%。各樣品鏡質體最大反射率Ro，max為0.7%～1.5%，平均為1.0%，以氣煤到焦煤為主。鶴崗盆地煤巖顯微組分和成熟度測試數據見表1。

表1 鶴崗盆地煤巖顯微組分和成熟度測試數據Table 1 Test data of coal macerals and maturity in Hegang Basin

鶴崗盆地煤巖煤質測試數據見表2。煤巖真密度為1.15～1.56 g/cm3，平均為1.37 g/cm3；水分為0.62%～2.18%，平均為1.26%；灰分為4.15%～27.31%，平均為12.90%；揮發(fā)分為22.18%～45.69%，平均為34.71%。

2 “兩氣”共探潛力評價

2.1 沉積環(huán)境

根據沉積旋回、含煤性特征以及測井資料，可將研究區(qū)含煤巖系劃分為4 個層序地層：①層序Ⅰ大體位于北大嶺含煤段和中部含煤段下部，即城子河組下部；②層序Ⅱ大體位于中部含煤段上部和富力巖段，即城子河組上部；③層序Ⅲ位于南嶺礫巖段，即穆棱組下部；④層序Ⅳ位于二龍山巖段，即穆棱組上部。煤層主要分布于層序Ⅰ與層序Ⅱ中。

表2 鶴崗盆地煤巖煤質測試數據Table 2 Coal quality test data of Hegang Basin

結合前人對于鶴崗盆地地層層序古地理與聚煤作用的研究[16-18]，可得研究區(qū)內含煤層系沉積特征，鶴崗盆地主要含煤層序沉積相示意圖如圖2。由圖2（a）可知，層序Ⅰ沉積時，盆地物源為西部山區(qū)，隨其發(fā)育的沖積扇體系沿西部山區(qū)展布，向東發(fā)育有辮狀河沉積體系，最終匯入貫穿盆地東部的1 條南北向曲流河，向北注入湖泊。隨后沖積扇消失，且湖泊三角洲與湖泊分布范圍增大。此時，泛濫盆地與三角洲成為主要的聚煤環(huán)境。由圖2（b）可知，層序Ⅱ沉積時，物源區(qū)轉變?yōu)榕璧啬喜?，峻德區(qū)域發(fā)育有沖積扇沉積體系，向北逐步發(fā)育河流沉積體系，且盆地東北部發(fā)育湖泊三角洲沉積體系。此時以河流沉積體系為主，聚煤中心向盆地東北部轉移。

鶴崗盆地含煤巖系厚煤層主要發(fā)育在層序Ⅱ中[19]，且南部區(qū)域粗粒沉積較北部多，向北粒度逐漸變細，說明北部成煤環(huán)境較好，沉積體系以河流-上三角洲平原為主。此外，盆地鉆孔資料顯示：整個含煤地層中粗砂巖與中砂巖占8%，細粒砂巖占22%，粉砂巖占15%，泥巖與炭質泥巖占38%，煤占5%，砂礫巖與礫巖占12%。由此可見含煤地層整體含砂量較大，大量煤層與厚層砂巖為“兩氣”的生成與保存奠定了基礎。

2.2 儲層厚度

統(tǒng)計鶴崗盆地可采煤層層厚[20-22]，研究區(qū)內城子河組煤層累計厚度30～75.99 m，鶴崗盆地城子河組煤層累厚分布如圖3。富煤中心位于鳥山、益新礦，大部分煤區(qū)的累計厚度都大于40 m。根據盆地鉆井勘探資料，統(tǒng)計了城子河組含煤地層中的砂巖層厚度，平面上的砂體展布多不均勻，與沉積環(huán)境及構造運動有密不可分的關系。砂體總厚度較大的區(qū)域集中在南部的峻德礦和北部的鳥山、益新礦。鶴崗盆地城子河組砂體總厚分布如圖4。

2.3 儲層封蓋特征

圖3 鶴崗盆地城子河組煤層累厚分布圖Fig.3 Cumulative thickness distribution of coal seams in Chengzihe Formation， Hegang Basin

圖4 鶴崗盆地城子河組砂體總厚分布圖Fig.4 Total thickness distribution of Chengzihe Formation sand body in Hegang Basin

鶴崗盆地地層在中生代白堊紀時期由于構造作用的影響，抬升剝蝕和沉降沉積不斷交替出現，且最后一次沉降沉積持續(xù)很長時間，形成了多層薄煤層和大厚度砂泥巖圍巖[23]。煤系地層中煤層、泥巖層和砂巖層互層疊置出現，出現多套“生儲蓋組合”，與我國鄂爾多斯盆地上古生界煤層氣與致密砂巖氣多疊置成藏類似。鶴崗盆地中煤層、砂巖和泥巖在垂向上相互疊置的現象為“兩氣”共探奠定了地質基礎。鶴崗盆地中發(fā)育多層的煤層，是煤層氣和致密砂巖氣的生氣源巖，在漫長的地質年代過程中不斷的向外散逸，一部分運移到砂巖中并聚集成藏，同時煤層、砂巖層上下的泥巖層起到了封蓋的作用，使煤層氣和致密砂巖氣疊置成藏。

2.4 含氣性

鳥山1 井（NS1）主力煤層包括M3 煤層與M18煤層。M3 煤層厚7.00 m，井深為876.24～883.24 m；M18 煤層厚14.18 m，井深為1 188.50～1 202.68 m。經氣測錄井，M3 煤層和M18 煤層間有多個含氣層與氣層的存在。M3 煤層至918.00～919.00 m 深煤層（Bm1 煤層）間，粉砂巖與細砂巖疊置出現，單個細砂巖厚度最大可達3 m；Bm1 煤層至983.00～983.70 m 深煤層（Bm2 煤層）間，上部仍有粉砂巖與細砂巖疊置出現，下部則以粗砂巖和中砂巖為主，單個細砂巖厚度最大可達4 m。鳥山1 井氣測錄井部分柱狀圖如圖5。鳥山1 井氣測錄井部分數據見表3。由此可見，鶴崗盆地煤層與砂體的交替出現使得煤層氣和致密氣共同成藏成為事實。

圖5 鳥山1 井氣測錄井部分柱狀圖Fig.5 Histogram of gas logging part of Niaoshan well 1

由圖5 可知，自鉆遇M3 煤層起，共有氣層2個，含氣層8 個。其中，氣測解釋煤層氣層有1 層，為876.24 ～883.24 m 段 的 煤 層；砂 體 氣 層1 層，為935.00～937.00 m 段的細砂巖和粉砂巖疊層。

由表3 和圖5 可知，全烴峰值相對較高（＞1%）的有4 層，最大峰值為2.881%，所處層位為砂體氣層。自M3 煤層起，氣測全烴數據多不為0：煤層段全烴數據多出現峰值，自煤層段向下，數據逐漸減小，但曲線常有尖峰突起，預示該位置可能有致密砂巖氣的存在。鉆遇粗砂巖和中砂巖時，數據陡然下降。分析認為，序號1 段煤層游離氣向下運移使得序號2 段細砂巖層賦存氣藏，成為含氣層；序號3 段煤層厚度小，但成煤過程中形成的煤層氣也可以向附近的砂巖層中運移并聚積，促使序號4 段砂體氣層成為氣層。

表3 鳥山1 井氣測錄井部分數據Table 3 Partial data of gas logging of Niaoshan well 1

鶴崗盆地NS1 井在城子河組的氣測錄井數據證明了致密砂巖氣的存在，說明研究區(qū)內有煤層氣與致密砂巖氣共存的現象，使得鶴崗盆地煤層氣與致密砂巖氣的共探具有可行性。

3 結 論

1）鶴崗盆地主要厚煤層位于地層層序Ⅱ中，聚煤環(huán)境以河流、上三角洲平原為主，為煤系烴源巖和致密砂巖層的生成提供了有利條件。

2）城子河組含煤地層中煤層分布穩(wěn)定，累計厚度30～75.99 m，致密砂巖層累計厚9～43.03 m，且煤層與砂巖層的疊置出現為“兩氣”共探奠定了基礎。

3）研究認為鶴崗盆地煤層氣和致密砂巖氣共探具有可行性，為“兩氣”的共采提供了地質依據。